1. 前言

在多线程编程中，锁是一个非常重要的话题。Java 原生提供了 synchronized 关键字和 Lock 接口等方式来实现锁。而 JVM 在处理锁时，也做了不少优化。本文将阐述 JVM 对 Java 的原生锁做了哪些优化。

2. 摘要

本文首先简单介绍了 Java 中锁的两种实现方式：synchronized 和 Lock 接口。然后分别从 JVM 级别进行解析：synchronized 的优化主要包括：偏向锁、轻量级锁和重量级锁等；而 Lock 接口的优化主要包括：公平锁和非公平锁等。本文最后给出了相应的代码示例和测试用例，最终得出结论：JVM 对 Java 的原生锁做了很多优化，这些优化大大提升了锁的性能和效率。

3. 正文

3.1 Java 中锁的实现方式

在 Java 中，锁主要有两种实现方式：synchronized 和 Lock 接口。

3.1.1 synchronized

synchronized 关键字是 Java 中最基本的锁实现方式。它是在 JVM 层面实现的，具有自动释放锁、重入锁和可见性等特性，使用简单方便。

3.1.2 Lock 接口

Lock 是 JDK 提供的高级锁机制，它的实现方式是基于 Java 中的 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）类实现的。AQS 是一个同步框架，它可以用于构建同步器，其中包括 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 等。

3.2 synchronized 的优化

JVM 对 synchronized 锁进行了很多优化，主要包括以下三种：

3.2.1 偏向锁

偏向锁：这种优化是 JVM 为了减少同步无竞争情况下的性能消耗而引入的。当一个线程访问同步块并获取锁时，JVM 会在对象头和线程栈上做一个记录，记录下线程 ID、对象头指针和锁标志。当这个线程持有锁的时间超过一定阈值时，JVM 会将锁升级为轻量级锁；当线程竞争锁时，锁会直接升级为重量级锁。

3.2.2 轻量级锁

轻量级锁：这种优化是为了在低竞争条件下，减少锁的开销而引入的。当一个线程请求锁时，JVM 会优先使用 CAS（Compare And Swap）操作将对象头指针指向线程栈上的锁记录，如果 CAS 操作成功，则表示该线程获取到了锁，并且锁的状态改变为轻量级锁状态；如果 CAS 操作失败，则表示有其他线程竞争此锁，线程会进入自旋，不需要系统调用，因此效率极高。

3.2.3 重量级锁

重量级锁：这种优化是为了在高竞争条件下，保证线程竞争公平而引入的。如果一个线程尝试获取锁时，发现锁已经被其他线程持有，它会陷入阻塞状态，直到锁被释放。

3.3 Lock 接口的优化

Lock 接口相比于 synchronized 关键字，优化点更多，主要包括以下两种：

3.3.1 公平锁

公平锁：在多个线程竞争同一个锁时，如果锁是公平锁，则每个线程都会按照它们发出请求的时间顺序来获取锁，这种情况下线程获取锁的顺序是有序的。

3.3.2 非公平锁

非公平锁：在多个线程竞争同一个锁时，如果锁是非公平锁，则不保证线程获取锁的顺序，这样可能会导致某些线程一直无法获取到锁。

3.4 代码示例和测试用例

下面给出了对于 synchronized 和 Lock 接口的相应代码示例和测试用例：

3.4.1 synchronized 实现的锁机制

示例代码如下：

java复制代码public class SyncJava {
    //初始为0    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {        count++;    }
    public synchronized void decrement() {        count--;    }
    public int getCount() {        return count;    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        SyncJava sync = new SyncJava();        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {            executor.execute(() -> {                sync.increment();                sync.decrement();            });        }
        //关闭线程池        executor.shutdown();        executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
        System.out.println(sync.getCount());    }}

测试用例说明：创建一个 SyncJava 实例，实现了 increment()方法和 decrement()方法，其中使用了 synchronized 关键字保证线程安全。创建一个线程池，启动 1000 个线程，每个线程执行一次 increment()方法和一次 decrement()方法。最终输出 count 的值，究竟该 count 值会是多少呢？咱们拭目以待。

实际运行截图如下：

由于 synchronized 关键字保证了线程安全，最终 count 值只会跟初始值一样，为 0，实际上输出结果也跟预期结果是一致的。

3.4.2 Lock 接口实现的锁机制

示例代码如下：

java复制代码public class LockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();    private int count = 0;
    public void increment() {        lock.lock();        try {            count++;        } finally {            lock.unlock();        }    }
    public void decrement() {        lock.lock();        try {            count--;        } finally {            lock.unlock();        }    }
    public int getCount() {        return count;    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        LockTest demo = new LockTest();        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {            executor.execute(() -> {                demo.increment();                demo.decrement();            });        }
        executor.shutdown();        executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
        System.out.println(demo.getCount());    }}

测试用例说明：创建一个 LockTest 实例，实现了 increment()方法和 decrement()方法，其中使用了 Lock 接口来实现线程安全。与上述测试保持一致，也是创建一个线程池，启动 1000 个线程，每个线程执行一次 increment()方法和一次 decrement()方法，最终测试输出 count 的值。

实际运行截图如下：

很明显，结果为 0，这就验证了多线程中安全执行 increment()和 decrement()方法，每个线程都会按照它们发出请求的时间顺序来获取锁，哪怕执行一千次一万次，count 值也是顺序一加一减，最后 count 值只能为 0.

4. 结论

总的来说，JVM 对 Java 的原生锁进行了很多优化，主要包括偏向锁、轻量级锁、重量级锁、公平锁和非公平锁等。这些优化大大提升了锁的性能和效率。在实际编程中，我们需要了解 Java 中不同的锁实现方式，并根据实际场景选择最适合的锁。

最后

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